邸愛民
(遼寧省鞍山水文局六間房水文站,遼寧 鞍山 114100)
蒸散發(fā)是自然條件下的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)以及植物散發(fā)的總稱。國內(nèi)外研究工作者對(duì)蒸散發(fā)(ET0)進(jìn)行了很多研究:趙玲玲,夏軍等[1]基于北京站1951—2009年的氣象資料,采用Penman-Monteith公式估算潛在蒸散發(fā),并對(duì)其年際年內(nèi)的變化特征進(jìn)行辨析。結(jié)果表明:北京1951—2009年年均潛在蒸散發(fā)量呈顯著上升趨勢;氣象要素的敏感性從強(qiáng)到弱依次為空氣相對(duì)濕度、溫度、太陽輻射和風(fēng)速。溫姍姍,姜彤等[2]采用松花江流域60個(gè)氣象站逐日資料,基干平流千旱模型計(jì)算并分析了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)為總體呈現(xiàn)增加趨勢,時(shí)空分布上有一定的特征。采用相關(guān)分析方法研究流域年均實(shí)際蒸散發(fā)的時(shí)空變化是各氣象要素共同影響的結(jié)果,而且各氣象要素在不同時(shí)期對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的影響是有差異的。楊劍、孫小舟等[3]以湖北漢江流域13個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象資料為基礎(chǔ),采用FAO推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算潛在蒸散量,用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行趨勢分析和突變檢驗(yàn),并在ArcGIS環(huán)境下利用克里金插值分析潛在蒸散量的空間變化特征。表明潛在蒸散量整體呈波動(dòng)下降趨勢。空間分布特征表現(xiàn)為自東南向西北遞減。韋小麗、管麗麗[4]根據(jù)氣象水文資料,采用線性趨勢分析、Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)和Pearson相關(guān)系數(shù)方法研究了第二松花江流域潛在蒸散發(fā)以及20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及影響的主要?dú)庀笠蜃?。表明潛在蒸發(fā)下降趨勢不明顯,潛在蒸發(fā)的下降主要受日照時(shí)數(shù)、降水和低云量的影響。卓嘎、尼瑪央珍等[5]利用彭曼公式進(jìn)行藏西北地區(qū)潛在蒸散的計(jì)算,采用偏相關(guān)分析方法,分析得潛在蒸散呈現(xiàn)從西北向東南減少的分布特征,影響潛在蒸散的氣象要素為相對(duì)濕度、平均氣溫和日照時(shí)數(shù),風(fēng)速對(duì)冬季潛在蒸散的影響最為顯著。熱孜宛古麗等[6]使用艾比湖流域6個(gè)氣象站點(diǎn)資料,通過Penman-Monteith方程,利用線性傾向估計(jì)、累積距平法和Mann-Kendall法分析計(jì)算艾比湖流域年潛在蒸散量逐年下降、年氣溫增加及年降水量增多。國內(nèi)對(duì)松花江流域的潛在蒸散發(fā)演變規(guī)律及影響因素并未做研究,故本文的研究很有意義。
本文以1961—2013年氣象月數(shù)據(jù)為依據(jù),運(yùn)用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的PM公式,計(jì)算ET0,運(yùn)用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析ET0(年值、逐月)的趨勢變化,分析潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征以及平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象要素的變化趨勢,揭示潛在蒸散發(fā)的變化規(guī)律,以及影響蒸散發(fā)的氣象要素的變化規(guī)律。
本文使用的是松花江流域及其周邊共68個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2013年的月氣象數(shù)據(jù),主要包括月最高氣溫、月最低氣溫、月平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、10m高度風(fēng)速等數(shù)據(jù),所使用的所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和篩選。
本文FAO推薦的經(jīng)優(yōu)化的Penman-Monteith公式計(jì)算月ET0和年ET0值。其中參考下墊面植被是假設(shè)表面開闊、具有充足水分、生長茂盛同時(shí)高度為0.12m的草地,具有固定的表面阻抗70s/m,反照率為0.23,表達(dá)式為:
(1)
式中,ET0—潛在蒸散發(fā),mm;Rn—作物表層凈輻射,MJ/(m2·d);G—土壤熱通量,MJ/(m2·d);T—日平均氣溫,℃;U2—2m高度處風(fēng)速,m/s;es—飽和水汽壓,kPa;ea—實(shí)際水汽壓,kPa;Δ—飽和水汽壓曲線斜率,kPa/℃;γ—干濕表常數(shù),kPa/℃。
MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)因其簡單又可處理丟失數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用。在本研究中,通過對(duì)ET0,Epan和kp年時(shí)間序列、月時(shí)間序列進(jìn)行MK檢驗(yàn),分析了ET0、月平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)的趨勢變化。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S按如下公式計(jì)算:
(2)
式中,x—第i或j年的數(shù)值;n—數(shù)據(jù)組的長度。
(3)
根據(jù)零假設(shè),xi是獨(dú)立且隨機(jī)排列的。當(dāng)n≥8時(shí),S近似正態(tài)分布,零均值和方差以及標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z的計(jì)算公式如下
(4)
(5)
統(tǒng)計(jì)量Z遵循零均值和序列無趨勢的零假設(shè)方差情況下的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。在顯著性水平α下,如果|Z|≥Z1-α/2,則零假設(shè)不成立,其中Z1-α/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中的(1-α/2)分位數(shù)。如果Z>0,說明該時(shí)間序列呈上升趨勢,否則,呈下降趨勢。在顯著性水平α=0.05時(shí),如果|Z|>1.96,則該序列的趨勢顯著。
為了對(duì)松花江流域氣候變化有個(gè)空間分布上的具體了解,本文選用了流域上、中、下共6個(gè)站點(diǎn)(圖里河、富裕、富錦、哈爾濱、樺甸、索倫),如圖1所示,并作出了這6個(gè)站點(diǎn)各氣象要素年均值以及ET0年值的變化趨勢,如圖2所示,為變化趨勢分析提供一定的依據(jù)。
圖1 6個(gè)氣象站點(diǎn)分布圖
圖2 松花江流域年ET0變化趨勢
由圖2可以看出,流域北部圖里河站年蒸散量較其他地區(qū)明顯小,1990年以前,年蒸散發(fā)的峰值均出現(xiàn)在流域中部的哈爾濱站,而1990年之后,年蒸散發(fā)的峰值均出現(xiàn)在流域西部的索倫站,1970—1985年全流域蒸散發(fā)大部分呈現(xiàn)年值上升現(xiàn)象,流域中部漲幅最大。
根據(jù)PM公式計(jì)算,最終得到松花江流域的年潛在蒸散發(fā)值。共有10個(gè)站點(diǎn)的年蒸散發(fā)值呈顯著上升趨勢,主要集中在松花江流域西部及北部;14個(gè)站點(diǎn)的年蒸散發(fā)值呈顯著下降趨勢,主要集中在松花江流域南部。流域內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢的站點(diǎn)共34個(gè),其中有24個(gè)為不顯著上升,主要集中在流域中部偏東的位置。流域內(nèi)年蒸散發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢的也是34個(gè)站點(diǎn),其中為不顯著下降的站點(diǎn)為20個(gè),集中在流域西南部,呈條帶狀分布,位于流域邊緣。
松花江流域月ET0變化趨勢如圖3所示。
圖3 松花江流域月ET0變化趨勢
從圖3中可以看出,流域北部蒸散發(fā)月值最小,流域中部各月蒸散發(fā)值變幅最大,而南部最為平緩,月ET0峰值一般均出現(xiàn)在6—7月,但流域南部ET0峰值出現(xiàn)在9月,流域南部月蒸散值為單峰型變化,流域內(nèi)其他區(qū)域均為雙峰型,9月為另一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間。流域內(nèi)62個(gè)站點(diǎn)均有變化趨勢顯著的時(shí)間段,其中2月呈現(xiàn)顯著上升趨勢的站點(diǎn)最多,共有56個(gè)站,另外的12個(gè)站中,只有滿洲里站為不顯著下降,其余11個(gè)站點(diǎn)蒸散發(fā)值也都出現(xiàn)上升趨勢(不顯著)。5月份有15個(gè)站點(diǎn)的蒸散發(fā)值為顯著下降趨勢,其他站點(diǎn)也以呈下降趨勢居多(不顯著)。
采用月平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù),根據(jù)PM公式,得出濕度變化與蒸散發(fā)變化的關(guān)系,如圖4所示。
圖4 松花江流域相對(duì)濕度變化
由圖4可知,松花江流域相對(duì)濕度總體呈現(xiàn)下降趨勢,其中流域西部及南部有顯著下降趨勢,主要集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)。而地處流域中部的克山站僅有9月份呈現(xiàn)下降趨勢,且為不顯著下降。位于流域最東邊的富錦站相對(duì)濕度也幾乎都呈現(xiàn)上升趨勢,尤其是4月份呈顯著上升趨勢。位于流域中西部的泰來站一年中有10個(gè)月均呈現(xiàn)下降趨勢。章黨站位于流域最南邊,其月平均相對(duì)濕度均呈現(xiàn)上升趨勢,其中8—10月有顯著上升趨勢,其余9個(gè)月均為不顯著上升趨勢。清原站位于章黨站東北部,兩站距離很近,但是相對(duì)濕度變化趨勢卻不盡相同,清原站各月均無顯著變化趨勢,且有8個(gè)月呈現(xiàn)不顯著下降趨勢,其余4個(gè)月均為不顯著上升趨勢??偠灾?,流域內(nèi)西部及南部相對(duì)濕度下降趨勢顯著,其他站也以下降為主,但不顯著下降為多。
本文采用松花江流域及其周邊共68個(gè)站點(diǎn)53年的月平均氣溫資料,使用MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了變化趨勢分析,從中選取6個(gè)站的資料作出了變化趨勢圖,如圖5所示。
圖5 松花江流域年平均氣溫變化
由圖5可知,松花江流域平均氣溫上升趨勢十分顯著。全流域68個(gè)站均出現(xiàn)了平均氣溫顯著上升,第二、三季度呈現(xiàn)顯著上升趨勢尤其集中。1月、11月、12月不顯著上升居多,僅12月,只有呼瑪站和孫吳站呈現(xiàn)顯著上升趨勢,其他均為不顯著上升或不顯著下降,這其中不顯著上升居多。除此之外,也有其他一些平均氣溫上升不顯著的月份,如3月,該月全流域只有12個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁卦?月也顯著上升了,甚至,富錦站在3月的平均氣溫呈現(xiàn)了下降趨勢(不顯著下降)。當(dāng)然各站點(diǎn)變化趨勢也不大相同,盡管總體上都呈現(xiàn)顯著上升趨勢,但是也有一些站,如漠河站、章黨站、集安站、長白站、臨江站、通化站、蛟河站等流域南部的站點(diǎn),平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢的時(shí)間段不足6月,一般顯著上升的月份都出現(xiàn)在2月、9月及鄰近的月份。
對(duì)松花江流域53年月平均風(fēng)速進(jìn)行MK檢驗(yàn)分析,如圖6所示(本文中風(fēng)速均已轉(zhuǎn)換為2m處風(fēng)速,本章中研究的是2m處風(fēng)速的變化趨勢)。
圖6 松花江流域風(fēng)速變化趨勢
圖6分析可知,松花江流域在過去50多年中,月平均風(fēng)速大部分呈現(xiàn)下降趨勢,且顯著性下降為多。流域上、中部下降趨勢顯著,全流域共計(jì)33個(gè)站在一年12個(gè)月內(nèi)均呈顯著下降趨勢,其中黑龍江省最多,共18個(gè)站,超過一半的站均在黑龍江省。全流域內(nèi)共41個(gè)站一年超過10個(gè)月平均風(fēng)速均呈現(xiàn)顯著下降趨勢。但是,雞西站6、7、8月均呈現(xiàn)顯著上升趨勢,其它9個(gè)月也呈現(xiàn)上升趨勢,盡管是不顯著上升趨勢。在流域南部及流域西北部,平均風(fēng)速的變化比較分散,也不如其他地區(qū)趨勢顯著,大多數(shù)站點(diǎn)風(fēng)速呈下降趨勢的月份不到6個(gè)月,有一些站點(diǎn)風(fēng)速還呈現(xiàn)上升趨勢。因此,松花江流域南部及西北部應(yīng)劃入風(fēng)速變化不顯著區(qū)。
松花江流域多年平均月日照時(shí)數(shù)如圖7所示。
圖7 松花江流域多年月平均日照時(shí)數(shù)變化趨勢
松花江流域中部及南部日照時(shí)數(shù)多呈現(xiàn)顯著下降趨勢,在流域的中部及南部共有11個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示,一年12個(gè)月中,當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)有8個(gè)月以上均呈現(xiàn)遞減趨勢,這當(dāng)中未呈現(xiàn)顯著下降趨勢的月份都集中在8—10月這3個(gè)月份,大部分站點(diǎn)在這3個(gè)月內(nèi)日照時(shí)數(shù)變化趨勢都為不顯著下降。全流域只有大興安嶺站在一年12個(gè)月內(nèi)均有顯著變化趨勢,其中11個(gè)月為顯著下降趨勢,只有2月份呈現(xiàn)顯著上升趨勢。流域上、中部各站點(diǎn)變化趨勢比較散亂,各站變化趨勢顯著時(shí)段長度一般不超過6個(gè)月。在松花江流域西部,也有少數(shù)站點(diǎn)出現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)顯著上升的趨勢,但僅僅出現(xiàn)在第一季度,8、9兩個(gè)月份也有幾個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著上升趨勢。
松花江流域蒸散發(fā)近50年來發(fā)生了很大的變化:流域西部及北部的年蒸散發(fā)年際變化主要為顯著上升趨勢,而南部主要呈現(xiàn)顯著下降趨勢;流域北部蒸散發(fā)月值最小,流域中部各月蒸散發(fā)值變幅最大,而南部最為平緩;松花江流域的氣溫呈顯著上升趨勢,平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速均呈下降趨勢。
存在的不足:本文僅對(duì)平均氣溫、平均相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了研究和分析,而沒有涉及到更具體的最高氣溫、最低氣溫等的研究;PM公式是根據(jù)日數(shù)據(jù)求算日ET0值,而本文研究數(shù)據(jù)為月數(shù)據(jù),根據(jù)近似算法得到的月ET0值,有一定的偏差;沒有將氣象因素對(duì)蒸散發(fā)的具體影響程度計(jì)算,從而未能得出松花江流域各氣象要素對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響能力。